JP5555827B2 - 非水電解質二次電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、非水電解質二次電池及びその製造方法に関し、特に、外装部材の外側に突出する端子部の構造に関する。

リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、高エネルギー密度であり高出力が得られるという特性を有し、従来から、例えば、携帯電話や携帯ゲーム機、ノートパソコン、デジタルカメラ等の小型機器に多く使用されている。また近年は、例えば、蓄電池や電気自動車等の用途に使用可能な比較的大型の非水電解質二次電池も実用化されている。このような非水電解質二次電池の構造としては、例えば、正極板と負極板とを備える電極群と非水電解質とが金属製の電池ケース（外装部材）に収容され、電池ケースから突出して設けられる正極端子及び負極端子と電極群とが端子接続片（集電部材）によって接続されているものがある。また正極端子及負極端子の構造は、様々提案されているが、例えば、正極端子及び負極端子に形成されたカシメ部を端子接続片の貫通孔に挿入し、カシメ部を押し広げるようにしてカシメることにより、正極端子及び負極端子を端子接続片に接続するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３５７８３３号公報

このように正極端子及び負極端子を集電部材の貫通孔に挿入してカシメることで集電部材に接続固定した構造では、各端子が集電部材に固定されている場合でも、例えば、各端子（正極端子及び負極端子）との接触が不十分で、各端子部と集電部材との電気的な接続不良が生じる虞がある。さらには、電池内部の気密性を確保することができないという問題が生じる虞もある。

このような問題を解決するために、例えば、図９に示すように、集電部材５００に、ボルト部材（スタッドボルト）５１０が固定されてなる端子部（正極端子及び負極端子）５２０の構造において、ボルト部材５１０を集電部材５００に押し込むことで、ボルト部材５１０を集電部材５００にカシメ固定するようにしたものもある。このような構造では、端子部５２０を構成するボルト部材５１０と集電部材５００との間に電池内部に繋がる隙間が存在しないため、電池内部の良好な気密性を確保することができる。

しかしながら、このような構造では、長期の使用により各端子と集電部材との隙間の見えない部分が腐食（酸化）して固定していた端子が脱落してしまう虞がある。さらに、カシメ作業中に集電部材に穴が空いてしまうといった問題があり、歩留まりの低下を招いている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、端子部の腐食が抑制され各端子部と電極群との接続状態を長期に亘って良好に維持することができると共に歩留まりを向上することができる非水電解質二次電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、セパレータを介して配された正極板と負極板とを備える電極群と、前記正極板及び前記負極板のそれぞれに接続される一対の集電部材と、前記電極群及び前記集電部材が収容される外装部材と、を有し、前記集電部材が、当該集電部材を構成する金属板を絞り加工することによって一体的に形成されて前記外装部材の外側まで突出すると共にその外周面に雄ねじ部が形成された突部を含む端子部を備えることを特徴とする非水電解質二次電池にある。

本発明の第２の態様は、前記雄ねじ部が、転造加工によって形成されていることを特徴とする第１の態様の非水電解質二次電池にある。

本発明の第３の態様は、前記集電部材を構成する金属板の前記端子部に対応する部分には、ステンレス鋼がクラッドされていることを特徴とする第１又は２の態様の非水電解質二次電池にある。

本発明の第４の態様は、前記集電部材が前記金属板を絞り加工することによって形成された凸状の台座部を備えると共に前記突部が前記台座部の上面部に設けられており、前記端子部が前記台座部と前記突部とで構成されていることを特徴とする第１〜３の何れか一つの態様の非水電解質二次電池にある。

本発明の第５の態様は、セパレータを介して配された正極板と負極板とを備える電極群と、前記正極板及び前記負極板のそれぞれに接続される一対の集電部材と、前記電極群及び集電部材が収容される外装部材と、前記集電部材に接続されて前記外装部材の外側まで突出すると共にその外周面に雄ねじ部が形成された突部を含む端子部と、を備える非水電解質二次電池の製造方法であって、前記端子部を前記集電部材に一体的に形成する端子部形成工程を具備し、前記端子部形成工程は、前記集電部材を構成する金属板の一部を絞り加工することによって前記突部を形成する突部形成工程と、前記突部の外周面に雄ねじ部を形成する雄ねじ部形成工程と、を含むことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法にある。

本発明の第６の態様は、前記雄ねじ部形成工程では、前記突部の外周面に転造加工することによって前記雄ねじ部を形成することを特徴とする第５の態様の非水電解質二次電池の製造方法にある。

本発明の第７の態様は、前記端子部形成工程には、前記集電部材を構成する金属板の一部にステンレス鋼をクラッドしたクラッド部を形成するクラッド部形成工程がさらに含まれ、前記突部形成工程では、前記クラッド部を絞り加工することによって前記突部を形成することを特徴とする第５又は６の態様の非水電解質二次電池の製造方法にある。

本発明の第８の態様は、前記端子部形成工程には、前記集電部材を構成する金属板を絞り加工することによって凸状の台座部を形成する台座部形成工程がさらに含まれ、前記突部形成工程では、前記台座部の上面部に前記突部を形成することを特徴とする第５〜７の何れか一つの態様の非水電解質二次電池の製造方法にある。

本発明の第９の態様は、前記端子部形成工程では、前記台座部形成工程を実行した後に、前記突部形成工程を実行することを特徴とする第８の態様の非水電解質二次電池の製造方法にある。

かかる本発明では、正極板及び負極板に繋がる各端子部が、金属板を絞り加工することによって集電部材に一体的に形成されているため、電池内部の気密性を高めることができる。また各端子部が集電部材に一体的に形成されていることで、端子部の腐食が抑制されて各端子部と電極群との接続状態を長期に亘って良好に維持することができる。さらには、集電部材と端子部とのカシメ作業等が不要になるため、歩留まりを向上することもできる。

本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池を示す分解斜視図である。 電池ケース内部の構造を表す一部破断側面図である。 電極群（スタックエレメント）の概略構成を示す図である。 端子部の概略を示す拡大断面図である。 非水電解質二次電池の製造方法を示す概略図である。 非水電解質二次電池の製造方法を示す概略図である。 非水電解質二次電池を用いた電池ユニットを示す概略図である。 本発明に係る非水電解質二次電池の他の例を示す断面図である。 従来技術に係る端子部の構造を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、例えば、リチウムイオン二次電池等である非水電解質二次電池１０は、アルミ箔で構成される正極板２１及び銅箔で構成される負極板２２を備える電極群２０と、電極群２０の正極板２１又は負極板２２にそれぞれ接続される一対の集電部材３０と、これら電極群２０及び集電部材３０が収容される外装部材である電池ケース４０及び蓋部材５０と、を備えている。

電極群２０は、図３に示すように、非水電解質二次電池１０の正極板２１と負極板２２とが、セパレータ２３を挟んで交互に多数積層されてなる。正極板２１であるアルミ箔及び負極板２２である銅箔にはそれぞれ活物質が保持されている。電極群２０の長手方向一端部には、複数の正極板２１の端部（活物質未保持部）同士が束ねられた正極結束部２４が形成されている。電極群２０の長手方向他端部には、複数の負極板２２の端部（活物質未保持部）同士が束ねられた負極結束部２５が形成されている。本実施形態では、電極群２０に正極結束部２４及び負極結束部２５がそれぞれ２つ設けられている。この正極結束部２４及び負極結束部２５の数は特に限定されず、例えば、それぞれ１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。そして、電極群２０のこれら正極結束部２４及び負極結束部２５に集電部材３０がそれぞれ接続されている。

集電部材３０は、正極板２１に電気的に接続される第１の集電板３０Ａと、負極板に電気的に接続される第２の集電板３０Ｂとを含む。第１の集電板３０Ａは、主材料がアルミニウムからなる金属板で構成され、その一端側が電極群２０の各正極結束部２４に接続されている。第２の集電板３０Ｂは、主材料が銅からなる金属板で構成され、その一端側が電極群２０の各負極結束部２５に接続されている。

これらの集電部材３０は、蓋部材５０の内側の面に当接する上面板３１と、上面板３１の端部から下側に向けて延びる長尺接合板３２とで構成される。長尺接合板３２の両縁部には、電極群２０の長手方向外側に向かって屈曲した接続板片３３が設けられている。本実施形態では、接続板片３３は、長尺接合板３２の長手方向（上下方向）に亘って連続的に設けられている。そして各集電部材３０は、この接続板片３３で電極群２０の２列の正極結束部２４又は負極結束部２５にそれぞれ接続されている。集電部材３０の接続板片３３と、電極群２０の正極結束部２４及び負極結束部２５との接続方法は、特に限定されないが、例えば、超音波溶着等により良好に接続することができる。

また集電部材３０の上面板３１には、蓋部材５０に設けられた貫通孔５１から外部に突出する端子部６０が設けられている。すなわち第１の集電板３０Ａの上面板３１には、正極板２１に繋がる正極端子部６０Ａが設けられ、第２の集電板３０Ｂの上面板３１には、負極板２２に繋がる負極端子部６０Ｂが設けられている。

本実施形態では、図４に示すように、集電部材３０の上面板３１に、凸状の台座部３４が設けられており、この台座部３４の上面部３４ａに、台座部３４よりも小さい直径を有する突部３５が設けられている。各端子部６０は、これら台座部３４と突部３５とで構成されている。突部３５の外周部には、例えば、転造加工によって雄ねじ部３６が設けられており、各端子部６０は、いわゆるボルト式端子となっている。

ここで、第１の集電板３０Ａを構成する金属板は、正極端子部６０Ａに対応する部分に主材料とは異なる金属材料、例えば、ステンレス鋼がクラッドされている。すなわち、アルミニウム製の金属板の一部にアルミニウム以外の金属材料がクラッドされている。また第２の集電板３０Ｂを構成する金属板も、負極端子部６０Ｂに対応する部分に主材料とは異なる金属材料、例えば、ステンレス鋼がクラッドされている。したがって、各端子部６０の外部に露出された表面はステンレス鋼で構成されている。これにより、各端子部６０の耐腐食性を向上して、端子部６０の酸化（錆）といった問題の発生を防止することができる。結果として、非水電解質二次電池１０の耐久性や信頼性を向上することができる。なお、クラッドする材料は、ステンレス鋼が好ましいが、端子部６０の酸化を防止することができる材料であれば、特に限定されるものではない。

これらの端子部（正極端子部及び負極端子部）６０は、各集電部材３０を構成する金属板を絞り加工することによって形成されている。すなわち各端子部６０は、集電部材３０を構成する金属板を塑性変形させることによって各集電部材３０に一体的に形成されている。本実施形態では、端子部６０を構成する台座部３４及び突部３５が、各集電部材３０を構成する金属板を絞り加工することによって一体的に形成されている。

具体的には、まずは図５（ａ）に示すように、集電部材３０となるアルミニウム製又は銅製の第１の金属板（ブランク材）３００の端子部６０が形成される領域に、ステンレス鋼からなる第２の金属板４００をクラッドしてクラッド部３０１を形成する。次いで、図５（ｂ）に示すように、この第１の金属板３００の第２の金属板４００とは反対側の面からクラッド部３０１を絞り加工することによって台座部３４を形成する。次いで、図５（ｃ）に示すように、この台座部３４の上面部３４ａをさらに絞り加工（深絞り加工）することによって突部３５を形成する。その後、突部３５の外周面に雄ねじ部３６を形成することによって端子部６０が形成される（図４参照）。

このように各端子部６０が、金属板を絞り加工することによって集電部材３０に一体的に形成されていることで、電池内部の気密性を向上することができ、各端子部６０と集電部材３０との隙間から電池内部に水分が侵入するといった問題の発生も防止することができる。また各端子部６０が集電部材に一体的に形成されていることで、端子部６０の腐食が抑制されて各端子部６０と電極群２０との接続状態を長期に亘って良好に維持することができる。また端子部６０が絞り加工によって形成されていることで中空となっている。つまり各端子部６０を構成する台座部３４及び突部３５の内部には空間が形成されている。これにより集電部材３０の軽量化を図ることができるという効果もある。さらには、歩留まりを向上することができ、コストの削減を図ることもできる。

また上述のように絞り加工によって台座部３４を形成した後、この台座部３４をさらに絞り加工することによって突部３５を形成することで、端子部６０を形成する際に、肉を効率的に集めることができる。すなわち端子部６０を構成する台座部３４及び突部３５に肉厚の薄い部分が形成されてしまうのを抑制し、これら台座部３４及び突部３５を比較的容易に所望の肉厚で形成することができる。勿論、端子部６０の形成手順は、特に限定されず、突部３５を形成した後に、台座部３４を形成することもできる。

ここで、雄ねじ部３６の形成方法は、特に限定されないが、雄ねじ部３６は転造加工で形成されていることが好ましい。これにより、雄ねじ部３６（突部３５）全体の肉厚を均一化することができ、端子部６０の剛性（強度）が高められるからである。

突部３５の外周面に切削加工等によって雄ねじ部３６を形成することもできるが、雄ねじ部３６に亀裂が生じてしまう虞があるため好ましくない。すなわち本発明の構成では突部３５が中空になっていることから、切削加工等により雄ねじ部３６を形成すると、例えば、ネジの谷部に相当する部分などに肉厚の薄い肉薄部が形成されてしまい、この肉薄部から雄ねじ部３６に亀裂が生じてしまう虞がある。雄ねじ部３６に亀裂が生じてしまうと、突部３５が端子部６０として機能できなくなるだけでなく、電池としての気密状態が破壊されてしまい、発熱、発煙、電解液の噴出などの危険な状態になる虞がある。

これに対し、上述したように雄ねじ部３６を転造加工によって形成することにより、雄ねじ部３６（突部３５）全体の肉厚を均一化することができるため、薄肉部が形成されることがなく雄ねじ部３６に亀裂が生じるといった問題の発生も防止することができる。

また上述のように突部３５がクラッド部３０１に形成されている場合には、特に、雄ねじ部３６を転造加工によって形成することが好ましい。クラッド部３０１に形成された突部３５の外周面に雄ねじ部３６を切削加工等で形成すると、気密状態の破壊に至らない場合でも、第２の金属板４００の下側のアルミニウムや銅等からなる第１の金属板３００が露出してしまう虞があるからである。

そして、このような集電部材３０と電極群２０とは、上述したように集電部材３０の接続板片３３と電極群２０の正極結束部２４及び負極結束部２５とが接続された状態で、電池ケース４０内に収容されている（図２参照）。

電池ケース４０は、例えば、ステンレス鋼等の金属材料で形成されている。蓋部材５０は、電池ケース４０の上部開口を封止するものであり、例えば、ステンレス鋼等の金属材料で形成されている。蓋部材５０の外周部には、端部を上方に折り曲げた接合部５２が設けられている。この接合部５２をレーザー溶接することによって蓋部材５０が電池ケース４０に固定されている。

蓋部材５０には、各集電部材３０の台座部３４が挿入される２つの貫通孔５１が形成されている。この貫通孔５１から各端子部６０が蓋部材（外装部材）５０の外側まで突出した状態で、集電部材３０が蓋部材５０に固定されている。より詳細には、各端子部６０は、台座部３４の上面部３４ａが電池ケース４０の端面よりも外側に位置するように設けられている。すなわち、台座部３４の高さは、蓋部材５０の外周部の接合部５２よりも高くなっている。

また蓋部材５０と集電部材３０とは、絶縁された状態で固定されている。例えば、本実施形態では、蓋部材５０と集電部材３０とは、樹脂材料からなる接着絶縁部材７０によって接合されると共に絶縁されている。接着絶縁部材７０は、例えば、蓋部材５０と集電部材３０とを配した金型内で射出成形することによって形成される。

具体的には、図６（ａ）に示すように、蓋部材５０の貫通孔５１内に集電部材３０の台座部３４を挿入し、所定の間隔で両者を金型（図示なし）内に保持する。この状態で樹脂材料を射出成形することにより、すなわち蓋部材５０と集電部材３０との隙間に樹脂材料を流し込む。これにより、図６（ｂ）に示すように、蓋部材５０と集電部材３０との間に接着絶縁部材７０が形成される。この接着絶縁部材７０は、本実施形態では、台座部３４の上面部３４ａを除いて、集電部材３０の上面板３１の略全面に形成される。

これにより、蓋部材５０と集電部材３０とは、接着絶縁部材７０によって良好に接合されると共に確実に絶縁される。また接着絶縁部材７０によって蓋部材５０と集電部材３０との間の隙間が良好に封止されるため、この隙間からの電池内部への水分等の侵入も防止することができる。

なお台座部３４の上面部３４ａは、後述する接続バーが接触して電気的に接続される部分であるため、接着絶縁部材７０を形成することなく露出させている。

蓋部材５０と集電部材３０とを固定した後は、図６（ｃ）に示すように、集電部材３０と電極群２０とを接続固定する。つまり集電部材３０の接続板片３３と電極群２０の正極結束部２４等とを接続する。そして、これら電極群２０と集電部材３０とを電池ケース４０内に収容すると共に電池ケース４０の上部開口を蓋部材５０で塞ぎ、電池ケース４０と蓋部材５０の接合部５２とをレーザー溶接によって接合して密封する（図２参照）。その後、蓋部材５０に設けられている微小な充填孔（図示なし）を介して電池ケース４０内に非水電解質が充填されて非水電解質二次電池１０が製造される。

また、このような非水電解質二次電池１０は、例えば、図７に示すように、複数個の非水電解質二次電池１０が直列に接続された電池ユニット１００として使用される。電池ユニット１００を構成する各非水電解質二次電池１０は、隣接する非水電解質二次電池１０の正極端子部６０Ａと負極端子部６０Ｂとが近接するように配されており、隣接する各非水電解質二次電池１０の正極端子部６０Ａと負極端子部６０Ｂとがステンレス鋼等の金属材料からなる接続バー１１０により接続されている。具体的には、接続バー１１０の両端に設けられた挿入孔１１１に、正極端子部６０Ａ及び負極端子部６０Ｂを構成する突部３５がそれぞれ挿入され、この状態で突部３５（雄ねじ部３６）にナット部材１２０を締結することで、接続バー１１０が各端子部６０に固定されている。これにより、接続バー１１０が各端子部６０と電気的に接続され、複数個の非水電解質二次電池１０が直列に接続された電池ユニット１００が構成されている。

ここで、上述したように台座部３４の上面部３４ａは接着絶縁部材７０によって覆われることなく露出されているため、接続バー１１０は、突部３５だけでなく台座部３４の上面部３４ａに接触した電気的に接続される。つまり接続バー１１０と各集電部材３０の端子部６０との接触面積が比較的広く確保されて接続抵抗が低く抑えられている。したがって、各非水電解質二次電池１０同士を接続バー１１０によって電気的に良好に接続することができる。

また、本実施形態は、上述のように台座部３４の高さが、蓋部材５０の接合部５２の高さよりも高くなっており、台座部３４の上面部３４ａが電池ケース４０の端面よりも外側に位置している。これにより、台座部３４と接続バー１１０とを比較的容易且つ良好に電気的に接続することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。

例えば、上述の実施形態では、第１の金属板３００に第２の金属板４００をクラッドしたクラッド部３０１に各端子部６０を形成するようにしたが、勿論、端子部６０の酸化等を防止することができれば、クラッド部３０１は設けられていなくてもよい。

また例えば、上述の実施形態では、各端子部６０を構成する突部３５を台座部３４上に形成するようにしたが、台座部３４は必要に応じて設けられればよく、必ずしも設けられていなくてもよい。

また例えば、上述の実施形態では、集電部材３０と蓋部材５０とを接着絶縁部材７０によって固定するようにしたが、集電部材３０と蓋部材５０との固定方法は、これに限定されるものではない。例えば、図８に示すように、集電部材３０の上面板３１に設けられた突部３５の基端部３５ａをカシメることによって蓋部材に固定するようにしてもよい。このように集電部材３０をカシメにより蓋部材５０に固定する場合には、例えば、集電部材３０と蓋部材５０との間に樹脂材料等からなるパッキン１３０を介在させて、両者の絶縁を図る必要がある。なおこの例は、集電部材３０に台座部３４を形成せずに、突部３５を直接形成した例である。

１０ 非水電解質二次電池
２０ 電極群
２１ 正極板
２２ 負極板
２３ セパレータ
２４ 正極結束部
２５ 負極結束部
３０ 集電部材
３１ 上面板
３２ 長尺接合板
３３ 接続板片
３４ 台座部
３５ 突部
３６ 雄ねじ部
４０ 電池ケース
５０ 蓋部材
５１ 貫通孔
５２ 接合部
６０ 端子部
７０ 接着絶縁部材
８０ ナット部材
１００ 電池ユニット
１１０ 接続バー

Claims (9)

1. セパレータを介して配された正極板と負極板とを備える電極群と、
   前記正極板及び前記負極板のそれぞれに接続される一対の集電部材と、
   前記電極群及び前記集電部材が収容される外装部材と、を有し、
   前記集電部材が、当該集電部材を構成する金属板を絞り加工することによって一体的に形成されて前記外装部材の外側まで突出すると共にその外周面に雄ねじ部が形成された突部を含む端子部を備えることを特徴とする非水電解質二次電池。
2. 前記雄ねじ部が、転造加工によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の非水電解質二次電池。
3. 前記集電部材を構成する金属板の前記端子部に対応する部分には、ステンレス鋼がクラッドされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の非水電解質二次電池。
4. 前記集電部材が前記金属板を絞り加工することによって形成された凸状の台座部を備えると共に前記突部が前記台座部の上面部に設けられており、前記端子部が前記台座部と前記突部とで構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の非水電解質二次電池。
5. セパレータを介して配された正極板と負極板とを備える電極群と、前記正極板及び前記負極板のそれぞれに接続される一対の集電部材と、前記電極群及び集電部材が収容される外装部材と、前記集電部材に接続されて前記外装部材の外側まで突出すると共にその外周面に雄ねじ部が形成された突部を含む端子部と、を備える非水電解質二次電池の製造方法であって、
   前記端子部を前記集電部材に一体的に形成する端子部形成工程を具備し、
   前記端子部形成工程は、
   前記集電部材を構成する金属板の一部を絞り加工することによって前記突部を形成する突部形成工程と、
   前記突部の外周面に雄ねじ部を形成する雄ねじ部形成工程と、
   を含むことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。
6. 前記雄ねじ部形成工程では、前記突部の外周面に転造加工することによって前記雄ねじ部を形成することを特徴とする請求項５に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
7. 前記端子部形成工程には、前記集電部材を構成する金属板の一部にステンレス鋼をクラッドしたクラッド部を形成するクラッド部形成工程がさらに含まれ、
   前記突部形成工程では、前記クラッド部を絞り加工することによって前記突部を形成することを特徴とする請求項５又は６に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
8. 前記端子部形成工程には、前記集電部材を構成する金属板を絞り加工することによって凸状の台座部を形成する台座部形成工程がさらに含まれ、
   前記突部形成工程では、前記台座部の上面部に前記突部を形成することを特徴とする請求項５〜７の何れか一項に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
9. 前記端子部形成工程では、前記台座部形成工程を実行した後に、前記突部形成工程を実行することを特徴とする請求項８に記載の非水電解質二次電池の製造方法。

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